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原位改性流体化采矿科学、技术与工程 被引量：29
1
作者 赵阳升 梁卫国 +2 位作者 冯子军 冯增朝 杨栋 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第1期25-35,共11页
为了解决传统方法难以有效开发非常规地质资源能源问题,提出了原位改性流体化采矿方法,即在原位对矿体进行物理、化学性态改造,实施矿物的流体化开采的一种新型采矿方法,系统介绍了这一新型采矿方法的概念与内涵、科学理论、技术原理与... 为了解决传统方法难以有效开发非常规地质资源能源问题,提出了原位改性流体化采矿方法,即在原位对矿体进行物理、化学性态改造,实施矿物的流体化开采的一种新型采矿方法,系统介绍了这一新型采矿方法的概念与内涵、科学理论、技术原理与关键技术、工程应用领域等核心内容。其突出内涵是在原位,采用物理与化学方法改造矿体与矿物,改造后的矿体多孔化、矿物流体化、矿物提质改性,实现矿物流体化开采。根据矿体性态变化特征,原位改性流体化采矿问题可分为残留骨架和无残留骨架两类问题。科学理论主要包括固流热化学耦合作用下矿体物理与力学特性演变规律、两类问题的固流热化学耦合的非线性理论模型。技术原理包括原位改性流体化采矿的适用性判据、物理改性原理和化学改性原理。建立的三维孔隙裂隙双重介质逾渗理论是该方法适用性确定的主要依据。概括介绍了覆盖的工业与工程领域及其相应的原位改性流体化采矿技术、工程的发展现状及其展望,这些工业与工程领域包括煤层气、盐矿、油页岩、放射性及有色金属矿产、天然气水合物、低变质煤、干热岩地热等。原位改性流体化采矿方法将有力推动极为广泛的、新型的、下一代非常规地质资源能源的清洁高效开发。 展开更多
关键词 采矿工程 流体化开采 原位改性 非常规地质资源能源 矿体
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注能(以CO_2为例)改性驱替开采CH_4理论与实验研究 被引量：18
2
作者 梁卫国 张倍宁 +1 位作者 黎力 贺伟 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第10期2839-2847,共9页
在简述煤层气开采技术发展历程基础上,针对煤层气抽放开采率低的问题,提出了注能改性驱替开采煤层气技术,并从有效应力与热力学原理,能量平衡理论等方面进行了可行性分析。通过自主研发系列实验设备,对大尺寸、低渗透煤样进行了不同应... 在简述煤层气开采技术发展历程基础上,针对煤层气抽放开采率低的问题,提出了注能改性驱替开采煤层气技术,并从有效应力与热力学原理,能量平衡理论等方面进行了可行性分析。通过自主研发系列实验设备,对大尺寸、低渗透煤样进行了不同应力与温度条件下的渗透与驱替置换实验,揭示了注CO_2驱替开采煤层气的机理、规律与特征。研究结果表明:CO_2在煤体表面的吸附势大于CH_4,CO_2吸附引起的煤体表面自由能变化和吸附热均强于CH_4,注能(CO_2)有助于煤层气采收率提高;在一定的约束应力条件下,注入压力升高,CO_2吸附引起的煤体表面自由能变化和吸附热升高,同时作用在煤体上的有效应力降低,煤体的渗透性增强,CO_2驱替置换效果提高,反之,注入压力不变约束应力增大,有效应力增加,煤体渗透率降低,驱替置换效果变差;煤体对超临界态CO_2有很强的吸附性,在较大的有效应力和较低渗透率条件下,依然能保持较高的CO_2/CH_4置换率;提高注入CO_2温度,有助于部分吸附CH_4解吸,但同时煤体对CO_2吸附能力也减弱,导致CO_2/CH_4置换率有所降低。 展开更多
关键词 煤层气开采 注能改性 CO2驱替 渗透率 置换率
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三轴应力下CO_(2)置换开采天然气水合物实验研究 被引量：3
3
作者 王婷婷 赵建忠 +1 位作者 高强 张驰 《太阳能学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期584-591,共8页
为模拟海域真实环境,在三轴应力、氯化钠体系以及水合物储层富水状态的条件下,开展针对氯化钠体系、储层初始饱和度以及置换压应力对液态CO_(2)置换开采海域天然气水合物的实验。研究表明:在三轴应力以及孔隙度约46.70%的条件下,氯化钠... 为模拟海域真实环境,在三轴应力、氯化钠体系以及水合物储层富水状态的条件下,开展针对氯化钠体系、储层初始饱和度以及置换压应力对液态CO_(2)置换开采海域天然气水合物的实验。研究表明:在三轴应力以及孔隙度约46.70%的条件下,氯化钠体系对CH4置换效率影响较小,但对CO_(2)水合物合成表现出抑制作用;储层初始饱和度与CH4置换效率之间是负相关关系且高的储层含水率更有利于CO_(2)封存;CH4置换效率随着置换压应力的增长有一定幅度的提高,置换压应力的增大为CO_(2)水合物合成提供了高的驱动力,进而提高了CO_(2)封存效率。 展开更多
关键词 天然气水合物 二氧化碳 甲烷 氯化钠 置换 三轴应力 储层初始饱和度
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煤矸石井下原位智能分选充填技术研究进展 被引量：5
4
作者 梁卫国 郭凤岐 +2 位作者 于永军 张泽寒 闫俊才 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期12-27,共16页
传统井下煤矸石需运输至地面处理,不仅占用地面国土空间、自燃或雨水淋滤造成大气与环境污染,而且长距离无效运输造成的能源消耗问题已成为制约煤矿低碳发展的关键瓶颈。为实现煤矿矸石不出井,从煤炭生产源头减少碳排放与单位产出能源... 传统井下煤矸石需运输至地面处理,不仅占用地面国土空间、自燃或雨水淋滤造成大气与环境污染,而且长距离无效运输造成的能源消耗问题已成为制约煤矿低碳发展的关键瓶颈。为实现煤矿矸石不出井,从煤炭生产源头减少碳排放与单位产出能源资源消耗,实现煤炭的绿色低碳智能开采,回顾了煤矸石井下分选充填技术现状及智能化进展,并在此基础上展望煤矸石井下分选充填技术发展趋势,提出了煤矸石井下原位绿色智能分选、充填新方法,详细阐述了煤矸智能分选机及新型充填液压支架的结构及原理,以最大化缩短矸石无效运输距离。为处理采煤工作面矸石,预防煤岩动力灾害,提出了包含少矸化智能开采系统、原位智能分选系统、工作面矿压反演系统、精准科学充填系统四大子系统的煤矿井下采选充智能一体化系统,并探讨了各子系统间的新环逻辑关系,以形成采煤利于分选、分选利于充填、充填利于采煤的良性循环。为处理掘进工作面矸石,提出了包含智能快掘系统、智能分选系统、煤矸分运系统、智能充填系统四大子系统的煤矿井下掘选充智能一体化系统,并对各子系统所负责工作及智能化实现进行了阐述。所提出的新工艺有望实现煤矿矸石不出井,并为煤矸石原位智能分选充填方法及采选充一体化系统的研究提供新思路。 展开更多
关键词 低碳开采 智能化 煤矸识别 原位分选充填 采选充一体化
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不同压力下冻土区水合物法封存CO_(2)的实验研究 被引量：1
5
作者 高强 赵建忠 +1 位作者 侯斌 张驰 《石油与天然气化工》 CAS CSCD 北大核心 2024年第3期49-55,63,共8页
目的水合物法封存CO_(2)稳定性良好、储气密度高,是一种极具潜力的碳封存方式,利用冻土区的地层条件更具独特优势,将CO_(2)气体注入冻土区地层中,在一定的温度和压力条件下,形成固态CO_(2)水合物实现封存。方法依据国内冻土地区地层深... 目的水合物法封存CO_(2)稳定性良好、储气密度高,是一种极具潜力的碳封存方式,利用冻土区的地层条件更具独特优势,将CO_(2)气体注入冻土区地层中,在一定的温度和压力条件下,形成固态CO_(2)水合物实现封存。方法依据国内冻土地区地层深度对应的温度和压力条件,选取不同地层深度(150 m和200 m)对应温度(1.27℃和2.72℃)和有效孔隙含水率(40%),研究不同注气压力(3.5 MPa、4.5 MPa和5.5 MPa)下的封存特征。分析封存过程的温度和压力变化、封存速率、最终水转化率和最终封存率等动力学规律。结果封存压力越高,水合物法封存所需的诱导时间越短,压力降幅越大。较高的封存压力导致初期封存速率较慢,缓慢封存期的持续时间减少,且封存压力越高,封存率、最终水转化率和水合物相饱和度越高。封存温度越高,压力对封存率的影响效果越明显。结论在地层深度150 m(对应地层平均温度1.27℃)、5.5 MPa及有效孔隙含水率(40%)的条件下,CO_(2)封存效果最佳。 展开更多
关键词 冻土区 水合物 CO_(2) 封存 注气压力
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煤层吸附气密度模型及气体吸附行为再认识
6
作者 武守亚 梁卫国 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期1115-1126,共12页
明确煤层吸附气密度是研究煤层气吸附特征及煤层气真实含气量的基础,而现有吸附气密度计算方法未体现温度、压力的影响。鉴于此,采用气体分子间、气固分子间相互作用势能理论,构建了近壁面处气体密度非均匀分布模型,进而获得了吸附厚度... 明确煤层吸附气密度是研究煤层气吸附特征及煤层气真实含气量的基础,而现有吸附气密度计算方法未体现温度、压力的影响。鉴于此,采用气体分子间、气固分子间相互作用势能理论,构建了近壁面处气体密度非均匀分布模型,进而获得了吸附厚度与吸附层数计算方程,推导了吸附气密度计算模型,从而建立了吸附量计算模型。所建模型的可靠性通过了分子动力学模拟结果以及吸附物理实验结果的验证。通过模型分析可知,吸附气密度受气固相互作用强度、温度、压力的影响:煤体对气体吸附能力越强,气固相互作用强度越大,近壁面处气体密度越大,吸附气密度越大,吸附层数越大;距壁面1个分子层区域内为强吸附区域,强吸附区域内吸附行为主控因素是气固相互作用;距离孔隙壁面大于1个分子层吸附区域为弱吸附区域,强吸附区域内吸附行为主控因素是外压作用。随着压力升高,近壁面处气体密度增加,且气体吸附过程为优先填充强吸附区域,后填充弱吸附区域。吸附气密度与游离气密度均随压力升高而增大,但吸附层数减小。过剩吸附量在吸附气密度与吸附层厚度的综合作用下随压力升高呈现下降或稳定趋势。吸附气密度与游离气密度、吸附层数、吸附量均随温度升高而呈现降低趋势。降压和增温能够有效解吸距壁面大于0.2 nm范围内的吸附气,然而距壁面小于0.2 nm范围内气体吸附行为唯一控制因素是气固相互作用,通过减弱气固相互作用强度能够进一步增加气体解吸量。此外,温度升高和压力增大引起气体吸附层数下降是深部煤层吸附气占比下降的原因。 展开更多
关键词 煤层气 吸附气密度 吸附模型 气固相互作用 吸附特征
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电解液浓度对泥岩电化学改性效果的影响 被引量：2
7
作者 柴肇云 杨攀 +1 位作者 张海洋 白金波 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第S01期211-218,共8页
为阐明电解液浓度变化对泥岩电化学改性效果的影响规律,自行研制了泥岩电化学改性的渗滤式试验装置,并进行了不同电解液浓度下泥岩的电化学改性试验。渗滤式试验装置由电源、电流表、电压表、导线、样品室和缓释腔等组成,通过向阴阳极... 为阐明电解液浓度变化对泥岩电化学改性效果的影响规律,自行研制了泥岩电化学改性的渗滤式试验装置,并进行了不同电解液浓度下泥岩的电化学改性试验。渗滤式试验装置由电源、电流表、电压表、导线、样品室和缓释腔等组成,通过向阴阳极缓释腔内填充不同的缓释材料阻断或减弱水电解产生的极端pH环境对岩样和电极的腐蚀作用。结合岩样的巴西劈裂、吸水膨胀、电阻率和X-射线衍射测试结果,研究了电化学作用下泥岩抗拉强度、吸水性、胀缩性、电阻率以及矿物组成等物性的变化规律,并探讨了物性变化的相关性。结果表明:(1)电化学改性岩样以0.5 mol/L为拐点,抗拉强度随电解液浓度增加先降后增,测试结果的离散性增大;而吸水率、膨胀率、电阻率变化趋势相近,均随电解液浓度增加先增后降。(2)电化学作用后岩样矿物成分石英相对含量随电解液溶液增加单调递增,方解石单调递减,而白云母和绿泥石则变化不大。(3)电化学改性岩样抗拉强度、吸水性、膨胀性、电阻率以及矿物组成等物性间存在一定的联动性:抗拉强度随石英含量增加线性递增而随方解石含量增加线性递减,吸水率和膨胀率随抗拉强度增加线性递减,而电阻率与抗拉强度的关系难以用某种特定的函数关系定量表述。 展开更多
关键词 岩石力学 泥岩 电化学 物性变化 改性效果
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超临界CO_(2)萃取提高褐煤生物甲烷产气模拟实验 被引量：7
8
作者 张宇杰 郭红光 +1 位作者 李治刚 梁卫国 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第10期3278-3285,共8页
超临界CO_(2)(ScCO_(2))萃取可以减弱煤中有机物的分子间作用力,破坏非共价键,使小分子化合物从煤的大分子结构中脱离。因此,将ScCO_(2)萃取作为一种预处理手段来提高煤的生物可利用度,具有增产生物煤层气的潜能。以褐煤为研究对象,开... 超临界CO_(2)(ScCO_(2))萃取可以减弱煤中有机物的分子间作用力,破坏非共价键,使小分子化合物从煤的大分子结构中脱离。因此,将ScCO_(2)萃取作为一种预处理手段来提高煤的生物可利用度,具有增产生物煤层气的潜能。以褐煤为研究对象,开展不同温压下ScCO_(2)萃取及生物降解产甲烷实验,明确萃余煤与萃取物的产甲烷效果、ScCO_(2)对褐煤的萃取能力及萃取物组成;通过与非超临界CO_(2)处理比较,结合萃余煤的二氯甲烷(DCM)二次萃取、低温液氮吸附实验,分析ScCO_(2)萃取增产生物煤层气的机理。结果显示,不同温压条件下的萃余煤生物甲烷产量均高于原煤,最佳产气的萃取条件为40℃-10 MPa,每克煤的最大甲烷产量为245.46μmol,高出原煤84.68%。萃取物含有微生物可利用有机物,厌氧降解实验证实了萃取物具有产甲烷能力。因此,ScCO_(2)萃取能够促进褐煤的微生物降解、提高生物甲烷产量。此外,非超临界CO_(2)处理后的残煤甲烷产量显著低于ScCO_(2)萃余煤,说明温压并不是刺激生物甲烷产生的主要因素,而ScCO_(2)对有机物的萃取作用是其关键。然而,ScCO_(2)的萃取率较低且DCM二次萃取后仍检测到丰富的生物可利用的有机物,表明有机成分经ScCO_(2)作用后仍大量残留于煤体。低温液氮吸附结果显示,萃余煤的总孔容和比表面积降低,孔隙结构分布发生变化,说明萃取物经ScCO_(2)携带发生运移、吸附,导致大部分有机物残留于煤中。以上研究结果表明,ScCO_(2)萃取作用于煤中有机组分,导致部分有机物与煤体分离;而大量生物可利用有机物在煤体中发生运移、重排,提高了残煤的生物有效性,从而提高生物甲烷产量。 展开更多
关键词 微生物增产煤层气 超临界CO_(2)萃取 褐煤 生物可利用有机物 孔隙结构
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电化学强化无烟煤吸水性的实验研究 被引量：2
9
作者 侯鸣晓 张晓雨 +4 位作者 康天合 康健婷 汪李龙 郭俊庆 李立功 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第8期2940-2948,共9页
煤层注水是一种常见的降低工作面粉尘、防止瓦斯突出的方法,但无烟煤的疏水性强,煤层注水效果欠佳,电化学方法可以显著提高无烟煤表面润湿性和孔裂隙发育程度,达到强化煤层注水的目的。采用0.05 mol/L的Na2SO4电解液对山西晋城寺河煤矿... 煤层注水是一种常见的降低工作面粉尘、防止瓦斯突出的方法,但无烟煤的疏水性强,煤层注水效果欠佳,电化学方法可以显著提高无烟煤表面润湿性和孔裂隙发育程度,达到强化煤层注水的目的。采用0.05 mol/L的Na2SO4电解液对山西晋城寺河煤矿无烟煤进行电化学改性实验,并对改性前后煤样的吸水性能、表面特性和孔隙特征进行测试和分析。研究结果表明:电化学改性后煤样的含水率较原煤的增幅随吸水时间呈现先增大后减小,最后逐渐趋于稳定的趋势,与无烟煤自然煤样相比,电化学改性后阳极、中间和阴极区域煤样自然吸水率分别提高了72.57%,87.14%和102.29%;电化学改性阳极区域发生氧化反应,使煤样中的芳烃和脂肪烃氧化为含氧官能基团,表面润湿性得到增强,煤-水动态接触角较改性前降低了25.96°,煤表面ζ电位为21.38 mV,中间和阴极区域均发生还原反应,使煤样中的烷基支链脱落,芳环发生裂解,氧的相对含量增加,煤-水动态接触角较改性前分别降低了20.40°和15.21°,煤表面ζ电位分别为-68.47,-80.01 mV;在电化学过程中产生的H+和电泳的作用下,无烟煤孔隙内充填的部分碳酸盐类矿物被溶蚀并发生运移,最终脱离煤体,改性后无烟煤中部分微孔产生“扩孔效应”,阳极、中间和阴极区域的平均孔径分别增大了3.77倍,3.67倍和5.02倍,增强了水的渗透性。 展开更多
关键词 吸水性 无烟煤 电化学 煤层注水 表面润湿性 孔隙 表面基团
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煤层气原位注热开采的数值模拟研究及工程实践 被引量：6
10
作者 胡林杰 冯增朝 +4 位作者 周动 王幸 石建行 沈永星 赵东 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第12期4473-4486,共14页
煤层的低渗透性和甲烷的强吸附特征是制约煤层气开采的关键性问题,如何快速高效开采煤层气是目前煤层气开采研究中的重要课题。首先基于构建的水-气-热-固耦合数学模型,建立了煤层气注热开采的物理模型并验证了模型的正确性,然后从水气... 煤层的低渗透性和甲烷的强吸附特征是制约煤层气开采的关键性问题,如何快速高效开采煤层气是目前煤层气开采研究中的重要课题。首先基于构建的水-气-热-固耦合数学模型,建立了煤层气注热开采的物理模型并验证了模型的正确性,然后从水气运移角度分析了注热方法的产气规律,最后在煤矿井下进行了现场注热试验。数值模拟结果表明:煤层气注热开采过程中水气运移遵循“前期排水,后期采气”的变化规律。煤层中的水对甲烷的解吸和运移产生了重要的影响。注热过程中水占据了甲烷的运移通道,水对甲烷的抑制作用大于温度的促进作用;注热后的抽采过程中,高温促进了甲烷的解吸,解除了水对甲烷的抑制作用,使煤层气的产量大幅度提高。通过现场注热试验,已经形成了2种成熟的井下注热强化煤层气开采方法,即间歇注热方法和交替注热方法。2种注热方法具有相似的产气规律,即注热阶段的日产气量和甲烷体积分数一般比较低,而注热后抽采阶段的日产气量和甲烷体积分数均大幅度提高。现场注热试验结果表明,与传统的负压抽采方法相比,间歇注热方法可以使甲烷的体积分数和日产气量分别提高10倍和100倍以上,交替注热方法可以使甲烷的体积分数和日产气量分别提高10倍和50倍以上。现场注热试验结果与数值模拟结果共同表明,注热强化煤层气抽采的效果显著,注热后抽采阶段是煤层气的高产时间段。 展开更多
关键词 煤层气开采 原位注热试验 水-气-热-固耦合模型 水-气两相运移
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石英砂介质中甲烷水合物生成过程和相平衡的实验研究 被引量：10
11
作者 王亚东 赵建忠 +1 位作者 高强 张君 《石油与天然气化工》 CAS 北大核心 2018年第6期44-49,共6页
为研究小梯度温度范围内甲烷水合物在石英砂介质中生成过程的热力学和动力学特性,开展了定容条件下273.75K、273.85K、273.95K3种恒温水浴体系的甲烷水合物生成实验。研究结果表明:(1)反应温度越低,釜内甲烷水合物生成过程中反应热释放... 为研究小梯度温度范围内甲烷水合物在石英砂介质中生成过程的热力学和动力学特性,开展了定容条件下273.75K、273.85K、273.95K3种恒温水浴体系的甲烷水合物生成实验。研究结果表明:(1)反应温度越低,釜内甲烷水合物生成过程中反应热释放越快,相比于273.95K的反应体系,273.75K体系的反应釜内首次温度上升值为0.9K,约为273.95K体系的6倍;(2)随反应温度的增加,水合物的生成量和转化率逐渐下降;(3)反应温度越低,甲烷水合过程的前期反应速率越大,气液界面和石英砂表面生成的水合物薄膜阻碍了甲烷气与水之间的进一步传递,使得甲烷的单位消耗速率随反应的进行呈阶梯型递减。通过石英砂介质内甲烷水合物的生成实验,以期为工业上气体水合物的合成、储存与运输提供借鉴。 展开更多
关键词 甲烷水合物 石英砂 成核 反应速率 气体消耗量
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复配高效菌群厌氧降解煤产甲烷实验研究 被引量：1
12
作者 弓凯仪 郭红光 +1 位作者 张益瑄 张佳艳 《矿业安全与环保》 CAS 北大核心 2023年第3期12-17,22,共7页
高效功能菌群是微生物增产煤层气技术的重要影响因素。通过复配降解芳香化合物的功能真菌菌群与降解煤产甲烷的真菌—产甲烷菌群,提高甲烷产量;分析菌群结构、中间产物和煤结构的演替规律,研究复配菌群降解褐煤产甲烷机理。研究结果表明... 高效功能菌群是微生物增产煤层气技术的重要影响因素。通过复配降解芳香化合物的功能真菌菌群与降解煤产甲烷的真菌—产甲烷菌群,提高甲烷产量;分析菌群结构、中间产物和煤结构的演替规律,研究复配菌群降解褐煤产甲烷机理。研究结果表明:复配菌群能够厌氧降解褐煤,煤的甲烷产量为172μmol/g,是未复配的1.74倍,芳烃降解菌Cladosporium在第7天成为优势真菌属;具有较强环境适应性的Aspergillus、Penicillium等成为产气结束后的优势真菌,在第7天发酵液中检测到丰富的代谢中间产物脂肪酸和芳香酸,其占比在产气末期均下降50%以上;煤中芳香碳在降解后下降了12.27%,降解效果显著。研究结果为改善产甲烷菌群的煤降解能力,增强产甲烷效能提供了一种有效方法。 展开更多
关键词 微生物增产煤层气 厌氧降解 生物强化 复配 核磁 GC-MS&LC-MS
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温度循环及渗透压对单裂隙花岗岩裂隙开度影响的实验研究
13
作者 徐轶尘 胡耀青 +2 位作者 朱小舟 宋家琪 靳佩桦 《中国矿业》 2022年第6期180-188,共9页
在干热岩地热开采中,花岗岩裂隙的演化对热能提取起着至关重要的作用。为了探讨循环高温下花岗岩裂隙开度的演化规律,采用多功能高温三轴伺服控制试验机,对温度为100~300℃的高温单裂隙花岗岩进行渗流实验,研究了不同温度、温度循环(次... 在干热岩地热开采中,花岗岩裂隙的演化对热能提取起着至关重要的作用。为了探讨循环高温下花岗岩裂隙开度的演化规律,采用多功能高温三轴伺服控制试验机,对温度为100~300℃的高温单裂隙花岗岩进行渗流实验,研究了不同温度、温度循环(次数为10次)及渗透压力对花岗岩裂隙开度的影响。研究结果表明:①无论温度多高,裂隙开度随渗透压的增加呈增大趋势,但温度不同,裂隙开度随渗透压增加而增大幅度不同,存在明显的转折点,温度不同,转折点不同;②无论渗透压多高,裂隙开度都随温度的升高而降低,但降低的幅度与温度有关;③无论循环温度多高,在同一渗透压下,起初的数次温度循环中,裂隙开度是降低的,当循环次数逐渐增加,裂隙开度也增大,温度越高其增大的趋势越明显。实验结果可为今后控制花岗岩裂隙演化的深入研究提供基础的实验数据。 展开更多
关键词 花岗岩 单裂隙 裂隙开度 高温地热 温度循环
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特厚煤层底板断层破坏与顶板垮断联动效应的CFDEM模拟研究 被引量：2
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作者 李浩 唐世斌 +2 位作者 康志勤 杨栋 马立强 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第6期2615-2629,共15页
特厚煤层采场空间大、覆岩扰动范围广,顶板垮断产生的强扰动加卸荷载易导致底板断层破坏加剧。通过数值模拟研究特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应机理规律是开展水害防治的基础,关键在于掌握加卸载下岩体渐进破坏与裂隙流耦合特... 特厚煤层采场空间大、覆岩扰动范围广,顶板垮断产生的强扰动加卸荷载易导致底板断层破坏加剧。通过数值模拟研究特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应机理规律是开展水害防治的基础,关键在于掌握加卸载下岩体渐进破坏与裂隙流耦合特征。构建加卸载下拉、剪损伤演化方程,结合有效偏/球应力为基本变量的屈服准则与塑性势函数,得到完整岩块的塑性损伤本构;建立拉/剪、混合型加卸载过程中塑性位移与强度劣化关系,以平方拉剪应力与B-K准则为初始、完全断裂准则,形成非贯通裂隙断裂本构;提出岩块分离、压缩、剪切判据,结合实验数据建立离散块体间挤压、剪切摩擦本构与剪胀方程。基于质量/动量守恒、状态方程,并结合流体体积与浸没边界方法,形成裂隙岩体气−水二相流模拟理论。由此形成CFDEM数值计算程序,并将加卸载下塑性损伤、断裂、挤压/摩擦、流体属性分别赋予实体单元(岩块)、黏聚力单元(非贯通裂隙)、接触对(贯通裂隙)、欧拉单元(水和气)。根据宁武煤田北部矿区工程地质条件,建立特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应数值计算模型。结果表明:①CFDEM耦合程序及相应的理论模型可数值实现特厚煤层覆岩及底板断层从(准)连续体到离散体转化,以及地下水在裂隙中运移;②模拟条件下特厚煤层含断层底板的采动裂隙包络线呈w形,最深处超过55 m位于断层及其上盘,最浅处23 m位于断层下盘,而无构造底板处的破坏深度为24~36 m,已导通奥灰含水层;③特厚煤层底板普遍出现二次破坏现象。表现为无构造底板在超前工作面处破坏深度为24.0~29.3 m,但在采空区内普遍增加至31.5~36.0 m;断层及其上盘在超前工作面处裂隙总开度为0.34~0.86 m,但在采空区内迅速增加至3.6 m,形成突水优势通道。④底板断层突水与顶板垮断联动效应的根源在于覆岩高位关键岩层垮断失稳、砌体梁下沉与二次断裂,并导致底板二次破坏,突水风险加剧。 展开更多
关键词 特厚煤层 底板断层突水 顶底板联动效应 CFDEM程序 微震实验
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西山煤田煤层气井水力压裂效果剖析及启示 被引量：1
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作者 阎纪伟 宋晓夏 +6 位作者 梁卫国 李鸿雨 李伟 刘威 孟艳军 夏鹏 卫强强 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第8期3546-3560,共15页
水力压裂是改善煤层渗透率的常用方法,其改造效果直接影响煤层气井的产能。详细观测了西山煤田屯兰区块5口煤层气井的井下揭露煤层及裂隙展布情况,并联合体视镜、扫描电镜和显微CT等研究煤体结构、微裂隙、石英砂和煤粉的分布特征,结合... 水力压裂是改善煤层渗透率的常用方法,其改造效果直接影响煤层气井的产能。详细观测了西山煤田屯兰区块5口煤层气井的井下揭露煤层及裂隙展布情况,并联合体视镜、扫描电镜和显微CT等研究煤体结构、微裂隙、石英砂和煤粉的分布特征,结合区域地应力和水力压裂施工参数,剖析煤层气井的压裂效果。研究结果表明:水力压裂产生的宏观裂隙形态复杂多样,包含水平型、垂直型、X型和T型。距离煤层气井筒越近,煤体越破碎,以碎裂煤和碎粒煤为主,水力压裂裂隙发育,远离煤层气井筒的煤体主要是原生结构煤,以原生裂隙为主。石英砂主要铺置在水平裂隙内,仅有少量分布在T型裂隙内。石英砂与煤的裂隙面强烈摩擦、碰撞和嵌入,与压裂液破裂煤体叠加形成大量煤粉,造成煤粉裹挟石英砂堵塞裂隙。宏观裂隙内的煤粉主要受水力压裂时煤体破裂、压裂液冲刷煤体及石英砂与裂隙面摩擦而产生,微观裂隙内的煤粉在煤体破断时产生。煤粉与石英砂混合堆积在裂隙内,对携砂液产生巨大阻力,造成石英砂无法向煤层气井的远端运移。地应力的大小和方向、煤层及顶底板的强度是影响水力压裂裂隙张开与延展方向的重要因素,携砂液黏度低无法悬浮石英砂,容易造成石英砂与煤粉聚集堵塞裂隙。 展开更多
关键词 煤层气井 水力压裂效果 裂隙观测 煤体结构 石英砂 煤粉
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热力耦合作用下有机类岩石渗透率演化规律及机理 被引量：1
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作者 冯增朝 石建行 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第9期3798-3809,共12页
在原位改性流体化采矿中,利用高温对矿床进行处理是一种有效方法。探明原位条件下有机类矿层的热解特性、细观结构、渗透率、变形等随温度的演化规律对资源的高效开采具有重要意义。利用高温高压三轴试验机结合含应力显微CT扫描技术,研... 在原位改性流体化采矿中,利用高温对矿床进行处理是一种有效方法。探明原位条件下有机类矿层的热解特性、细观结构、渗透率、变形等随温度的演化规律对资源的高效开采具有重要意义。利用高温高压三轴试验机结合含应力显微CT扫描技术,研究了热力耦合作用下3种有机类岩石(油页岩、烟煤及页岩)的渗透率、热解产气、细观结构及轴向变形随温度(≥300℃)的演化规律,同时结合热解产气、轴向变形及细观结构对渗透率演化机理进行了探究。结果表明:热力耦合作用下,有机类岩石的渗透率演化存在阈值温度,在轴压10 MPa,围压7 MPa的应力条件下,油页岩、烟煤及页岩的阈值温度分别为400、450及500℃;当热解温度小于阈值温度时,有机类岩石的渗透率由岩石强度主导,孔裂隙随温度的升高而闭合,渗透率与温度呈负相关变化;当热解温度大于阈值温度时,有机类岩石的渗透率由岩石的热解程度主导,孔裂隙随温度的升高逐渐发育并沟通,渗透率与温度呈正相关变化;进行阈值温度前后特性比较,油页岩热解程度与岩石强度在3种岩石中提升幅度最大,有机质热解并排出促进了孔裂隙的新生及连通,岩石强度的增大减弱了应力对岩石孔裂隙的压缩闭合作用,油页岩的渗透率呈现大幅度的提升。 展开更多
关键词 有机类岩石 渗透率 细观结构 高温高压 岩石强度 热解程度 显微CT扫描
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基于离散元-机器学习的铝土矿矿柱强度预测方法 被引量：1
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作者 朱德福 王德玉 于彪彪 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第7期3038-3050,共13页
矿柱极限承载能力与矿柱尺寸参数密切相关,科学地预测矿柱强度是空场法安全高效开采铝土矿的关键。为了准确高效地预测矿柱强度,融合运用离散元方法(DEM)的模型参数化、样本数据强扩展性与机器学习(ML)方法的数据驱动优势,选取矿柱尺寸... 矿柱极限承载能力与矿柱尺寸参数密切相关,科学地预测矿柱强度是空场法安全高效开采铝土矿的关键。为了准确高效地预测矿柱强度,融合运用离散元方法(DEM)的模型参数化、样本数据强扩展性与机器学习(ML)方法的数据驱动优势,选取矿柱尺寸参数(长、宽、高)作为影响因子,开发了Grasshopper参数化建模电池组,实现了等块体密度的矿柱黏合块体模型(BBM)的参数化构建,结合矿体节理分布特征实测结果,利用3DEC程序构建了300组黏合块体-离散裂隙网络(BBM-DFN)矿柱离散元数值模型,开展了矿柱承载特性试验,监测并建立了机器学习数据集,且验证了此数据集的可靠性;分别以支持向量机(SVM)、BP神经网络、随机森林(RF)、高斯过程回归(GPR)4种算法构建了矿柱强度预测模型,根据回归类模型评价指标(判定系数R2、可解释方差E_(EVS)、平均绝对误差E_(MAE)、均方误差E_(MSE))开展了最优模型的评选,结合改进的量子粒子群智能优化算法(IQPSO)进一步优化模型,利用该模型建立了矿柱影响因子与强度之间的非线性映射关系。研究表明:由矿柱强度参数化模拟结果可知,随着矿柱宽高比增加强度显著提升,长宽比对强度影响幅度相对较小,当矿柱高度和横截面积相同时,不同截面矿柱承载能力依次为:正方形>长方形;当矿柱宽高比大于1时,方形截面矿柱强度影响因子敏感性主次顺序为:矿柱宽(长)度>矿柱高度;根据机器学习算法指标综合评价,SVM模型是矿柱强度预测的最佳模型(R^(2)=0.953、E_(EVS)=0.953、E_(MAE)=0.608、E_(MSE)=0.551),结合IQPSO算法优化后模型预测性能得到了进一步提升(R2=0.985、E_(EVS)=0.986、E_(MAE)=0.373、E_(MSE)=0.239);将IQPSO-SVM矿柱强度预测值与3种经典硬岩矿柱强度公式计算结果进行了讨论分析,得出了Hedley公式针对铝土矿强度计算不适用,Krau-land公式适用于宽高比小于4时,Esterhuizen公式可通过调整不连续因子(F)进行较为准确的强度计算。研究成果为硬岩矿柱强度的预测提供了一种解决方案,拓宽了矿柱(群)稳定性评价的思路。 展开更多
关键词 铝土矿 矿柱强度 离散元方法 机器学习 矿柱(群)稳定性
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纳米硅溶胶−EVA−粉煤灰水泥基复合浆材配比正交优化及对其物性的影响
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作者 沈玉旭 柴肇云 +6 位作者 孙浩程 刘向御 郭俊庆 肖畅 李天宇 辛子朋 史沁彬 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第6期2643-2659,共17页
针对传统水泥基浆材不能满足煤矿大变形巷道注浆加固实际需求的难题,通过添加纳米硅溶胶、乙烯−醋酸乙烯共聚物(EVA)和粉煤灰对普通硅酸盐水泥进行改性获得高性能复合浆材。采用正交试验和极差分析法系统研究复合浆材物理力学性能的变... 针对传统水泥基浆材不能满足煤矿大变形巷道注浆加固实际需求的难题,通过添加纳米硅溶胶、乙烯−醋酸乙烯共聚物(EVA)和粉煤灰对普通硅酸盐水泥进行改性获得高性能复合浆材。采用正交试验和极差分析法系统研究复合浆材物理力学性能的变化规律,确定最优配比,并进一步分析最优配比复合浆材与纯水泥的物性差异,构建复合浆材的水化反应机理模型,阐明其加固破碎岩石的力学特性。研究结果表明,复合浆材最优配比为:水灰比0.7,粉煤灰掺量15%,硅溶胶掺量2%,EVA掺量7.5%;相较于纯水泥,复合浆材流变性略有下降,但浆液稳定性、力学性能等均有显著提升,初凝时间缩短了38.9%,终凝时间缩短了53.8%,析水率降低了60%,结石率提高了3.3%,单轴抗压强度提高了39.1%,抗拉强度提高了97.2%,拉压比提高了41.7%;硅溶胶和粉煤灰在不同时期与Ca(OH)2发生火山灰反应生成更多水化硅酸钙(C-S-H)和水化铝酸钙(CA-H),促进复合浆材的水化反应,并加速EVA成膜,使结石体更加致密;复合浆材注入量和胶结体单轴抗压强度均随注浆压力的增大而增加,随Talbot指数的增加,抗压强度先增大后减小,破坏形式多呈鼓状,剪胀变形明显;当注浆压力大于2 MPa,Talbot指数为0.5时,胶结体强度较大,破坏较小。本研究为水泥基复合浆材早期强度、增韧改性提供了可行途径。 展开更多
关键词 纳米硅溶胶 EVA 粉煤灰 普通硅酸盐水泥 正交试验
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全应力-应变加载过程中砂质泥岩力学与渗透性演化规律研究
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作者 柴肇云 武小玲 +3 位作者 刘向御 刘绪 沈玉旭 辛子朋 《煤炭学报》 CSCD 北大核心 2024年第S2期772-781,共10页
软岩巷道掘进期围岩孔裂隙演化规律及其引起的渗透性变化是突水灾害防治及注浆加固软弱围岩需要解决的基础科学问题之一。借助RockTop多场耦合试验系统对砂质泥岩分别进行了加载方向平行和垂直层理限定围压的应力渗流耦合试验,研究了砂... 软岩巷道掘进期围岩孔裂隙演化规律及其引起的渗透性变化是突水灾害防治及注浆加固软弱围岩需要解决的基础科学问题之一。借助RockTop多场耦合试验系统对砂质泥岩分别进行了加载方向平行和垂直层理限定围压的应力渗流耦合试验,研究了砂质泥岩全应力应变加载过程的强度特性、破坏形式以及与渗透性间的相互关系,阐明了砂质泥岩全应力应变加载过程中渗流特征演化规律。研究结果表明:含层理砂质泥岩力学强度和渗透性均具有各向异性,平行层理加载强度大于垂直层理加载强度,渗透性则相反;加载方向平行层理岩样破坏模式以单斜剪切和劈裂破坏为主,裂纹环向应变大于轴向应变,表现为体胀扩容。全应力应变曲线分为裂纹压密、线弹性、裂纹稳定扩展、裂纹非稳定扩展和峰后残余强度5个阶段。前三阶段岩样渗透率保持恒定,裂纹非稳定扩展、应力峰值点处亦或峰后残余强度阶段渗透率“突跳”达到峰值,渗透率变化曲线呈“N”型;加载方向垂直层理岩样破坏模式以轴向张拉劈裂和环向剪切滑移复合破坏为主,裂纹轴向应变大于环向应变,表现为轴向压缩。全应力-应变曲线分为稳定变形、非稳定变形和峰后残余强度3个阶段。稳定变形和非稳定变形阶段渗透率保持恒定,峰后残余强度阶段渗透率“突跳”达到峰值,渗透率变化曲线呈“∧”型;渗透率“突跳”为裂隙网络连通激发的渗透率呈几何量级突增现象。 展开更多
关键词 砂质泥岩 层理 破坏模式 渗透率 各向异性
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花岗岩非稳态传热破坏过程能量演变规律研究
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作者 贾鹏 郤保平 +3 位作者 李晓科 解瑾 蔡佳豪 高鹏利 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第10期3013-3023,3036,共12页
热作用下花岗岩损伤的定量描述是个亟待解决的问题。从能量角度出发,对600℃范围内高温花岗岩试件非稳态传热过程的温度状态进行测定,借助冷却法分析了花岗岩正规状况阶段热物理参数演变规律,讨论了花岗岩非稳态传热过程能量吸收、释放... 热作用下花岗岩损伤的定量描述是个亟待解决的问题。从能量角度出发,对600℃范围内高温花岗岩试件非稳态传热过程的温度状态进行测定,借助冷却法分析了花岗岩正规状况阶段热物理参数演变规律,讨论了花岗岩非稳态传热过程能量吸收、释放及耗散特性,揭示了热作用下花岗岩性能损伤与能量演变规律的内在联系。结果表明:不同高温状态下的花岗岩试件自然冷却时正规状况阶段比热变化分两个阶段,分别为比热平稳变化阶段与比热大幅变化阶段;随着初始高温状态的降低,整个非稳态传热过程中所耗散的能量也在随之降低,且在同一冷却模式下,输入的能量越大,耗散能所占比例也越大;非稳态传热过程中耗散能的大小与高温热作用后花岗岩宏观力学性能的劣化有较强的相关性,耗散能的大小与最大热冲击因子有显著的线性关系。 展开更多
关键词 岩石力学 非稳态传热 能量释放 能量耗散 比热
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